常规饮用水净化技术面临的挑战及对策

第13卷第1期

2002年1月 水科学进展ADVANCESINWATERSCIENCEVol 13,No 1 Jan ,2002

常规饮用水净化技术面临的挑战及对策

白晓慧1,贺兰喜2,王宝贞3

(1 浙江大学环境工程系,浙江杭州 310029;2 人民大会堂管理局,北京 100800;

3 哈尔滨工业大学市政环境工程学院,黑龙江哈尔滨 150090)

摘要:分析了我国饮用水水源的污染现状,指出我国一直沿用至今的常规饮用水处理技术所面

临的巨大挑战,以及对人们健康造成的潜在影响。结合优质饮用水的概念,提出饮用水水质指

标体系的发展方向。根据世界各国饮用水深度净化技术的研究现状,认为吸附、氧化和膜技术

及其结合是当前较有前途的饮用水深度净化技术。

关 键 词:饮用水;水源水;污染;深度净化;问题

中图分类号:R123 1 文献标识码:A 文章编号:1001 6791(2002)01 0122 06

1 饮用水水源的污染及危害

人们生活用水、生产用水主要来自地表水和地下水,其中地表水分布较为广泛,来源丰富且利用较为方便,加之地下水的过量开采,水位急剧下降,因而各种地表水源(如江河、湖泊、水库等)已成为人们用水的主要来源。近几年来,世界经济的持续发展,尤其是有机化工、医药、农药、杀虫剂及除草剂等生产工业的迅速增长,有机化合物的产量和种类不断增加,各种生产废水和生活污水未达到排放标准就直接进入水体,对地表水体造成了极大危害,水源水质也因此急剧下降。

除化学物质大量排入水体外,在饮用水中还不断出现新的病原微生物。微小似病毒、贾第虫、产毒性大肠埃希氏菌(包括O-157大肠杆菌)、小隐孢子虫、嗜肺军团菌等都是20世纪70年代以来检测出来的。

自来水供水系统的病毒存在已引起各国深切关注。法国、美国、罗马尼亚、印度等国都从常规处理后投氯消毒的自来水中检出病毒。俄罗斯的研究资料指出,在自来水系统中一年四季均可分离出肠道病毒。1982年在我国武汉市某自来水厂出水中检出肠道病毒、柯萨奇病毒和脊髓灰质炎病毒。1987年,在同一水厂出水中检出肠道病毒量达78pfu/L。

有几百种肠道病毒,水是传染疾病的重要媒介。由于病毒的抗性及其单体的大小(20nm),使其能容易地穿过土壤系统。病毒能在地下水中存活达数月之久,与大肠杆菌相比对水消毒剂的抵抗性更强。

收稿日期:2000 09 04;修订日期:2001 01 08

作者简介:白晓慧(1969-),男,山西太原人,浙江大学博士后,主要从事水污染控制理论和技术的

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1976年隐孢子虫首次在人体内检出,此后,它被确认为腹泻病的病因。在亚洲、澳大利亚、非洲和南美洲十分盛行。现在在美国,隐孢子虫是最主要的水传染病因。在英国、日本、荷兰,饮用水传染病爆发也与隐孢子卵囊有关。隐孢子虫病主要是水传播。微孢子虫是在细胞内形成孢子的主要寄生虫,典型的感染症状包括慢性腹泻,脱水和严重的失重(>10%体重)。由于微孢子虫的孢子从感染体排泄进入污水,也就存在被污水污染水体的可能,微孢子虫的动物宿主能增加其含量并且以高水平进入供水水源中。由于其尺寸小(1~5 m),它们很难用常规过滤技术去除,而且它也类似于隐孢子虫对氯消毒有很强的抗性。

在美国,因为水源受污染,常规的饮用水处理导致的饮用水不合格事件屡有发生。美国对30个城市11590个城镇的给水进行的调查指出:饮用经氯化后的地表水可能对人体健康造成潜在危险。人们对水质最普遍的抱怨是味和嗅的问题,恶味迫使许多用户寻求别的饮用水水源,例如私人水井、蓄水池或瓶装水。

2 常规水处理工艺的局限性

给水处理的方法是根据水源水质和用水对象对水质的要求而确定的。在逐渐认识到饮用水存在水质污染和危害的同时,人们也开始了长期不懈的饮用水净化技术的研究和应用。到20世纪初,饮用水净化技术基本形成现在被人们普遍称之为常规或传统处理工艺的处理方法,即混凝、沉淀或澄清、过滤和消毒。这种常规的处理工艺至今仍被世界大多数国家所采用。

但是,随着有机化工、石油化工、采矿、农药和医药工业的迅速发展,水中有害物质逐年增多。同时,随着水质分析技术逐渐改进,水源水和饮用水中能够测到的微量污染物质的种类不断增加,使人们在饮用水的水质净化中碰到了新的问题。

根据现有检测技术发现给水中有2221种有机物,在饮用水中发现756种,其中20种为致癌物,23种可疑致癌物,18种促癌物,56种致突变物,这些物质对人体产生急性或慢性、直接或间接的致毒作用。一些国家对受有机污染的饮用水进行致突变试验,发现许多饮用水呈现阳性结果。我国也有一些城市的饮用水,在致突变活性试验中均呈现阳性结果。

面对水源水质的变化,常规饮用水处理工艺已显得力不从心。目前我国自来水处理工艺99%以上为混凝、沉淀、过滤、加氯消毒的传统工艺,这种工艺以除去水中浊度、悬浮物、胶体、色度、微生物等为目的,它对水中有机物尤其是溶解性有机物去除能力很低(20%~30%)。由于溶解性有机物的存在,不利于破坏胶体的稳定性而使常规工艺对原水浊度去除效果也明显下降(仅为50%~60%)。用增加混凝剂投量的方式来改善处理效果,不仅使水处理成本上升,而且可能使水中金属离子增加,也不利于居民的身体健康。地面水源中普遍存在的氨氮问题常规处理也不能有效解决。目前国内大多数水厂都采用折点加氯的方法来控制出厂水中氨氮浓度,以获得必要的活性余氯,但由此产生的大量有机卤化物又导致水质毒理学安全性下降。

对常规工艺进出水进行气相色谱和质谱(GC/MS)联机分析微量有机污染物和Ames致突变试验结果表明:常规工艺对水中微量有机污染物没有明显的去除效果,水中有机物数量,尤其是毒性污染物的数量,在处理前后变化不大;预氯化产生的卤代物在混凝沉淀及过滤处理中不

124水科学进展第13卷物,使出水氯化后的致突变活性有所增加;有预氯化的常规工艺不仅出水中卤代物增多,而且优先控制污染物及毒性污染物数量也有明显上升,出水的致突变活性较处理前增加了50%-60%。

在氯化消毒过程中,氯与水中的有机物反应产生三卤甲烷(THMs)和其它卤化副产物如卤代乙酸、卤代乙晴、三氯丙酮、氯化醛类、氯酚及其它特殊化合物和有机卤代物。这些卤化有机化合物中有许多被推测是致癌物或是诱变剂,且在较高浓度时有毒性。

此外新近发现的许多病原微生物,由于他们尺寸小(1~5 m),也很难用常规过滤技术去除,而且它们有的对氯消毒有很强的抗性。

以臭氧化和生物活性炭工艺为主的深度净化水厂在欧洲已相当普及;美国许多城市,自来水的浊度大都为0 1~0 2NTU。但是,20世纪90年代在美、加、英、澳等国多次出现或爆发了隐孢子虫等病原原生动物的传染事件。这些事件给美国和全世界的给水界敲响了警钟,指出现有的饮用水净化技术及其相应的供水设施,仍不能保证饮水安全。还需继续努力,研究、开发更加安全可靠的饮用水净化技术。

综上所述,在水源受污染情况下,由于常规净化工艺的局限性,处理后的生活水质安全性难以保证。但是,人类在挑战面前并不是束手无策。为了去除饮用水中的污染物质,尤其是有机污染物和新型病原微生物,水处理研究人员已研究出许多饮用水净化新技术,有的已在实际中得到应用,取得较好效果。

3 优质饮用水的概念、指标及深度净化新技术

国外自20世纪60年代起,给水处理工艺开始发展和变化,已经逐步从控制悬浮物、细菌等为主要目标向控制有机污染尤其是三致物质转移,我国自来水处理工艺在原水和出水水质的变化要求下正在经历这一变化。饮用水水源污染及污水回用的发展使给水处理工艺中除污染的比例越来越大,给水与污水处理之间的交叉越来越多,一个针对有机污染为重点的更完善的自来水处理工艺正逐步形成、完善和发展。

3 1 优质饮用水的概念

饮用水水源污染的严重性,传统工艺本身的不足,加氯消毒的副作用,二次供水的污染问题等多种因素综合并存,使饮用水水质难以得到保证。在居民健康饮水意识不断提高的情况下,优质饮用水的概念应运而生。

优质饮用水包括三个方面的意义:一是去除了水中的病毒、病原菌,病原原生动物(如寄生虫)的卫生安全的饮用水。在目前不断发现新的病原微生物(如贾第鞭毛虫、军团菌、隐孢子囊虫等)这一形势下,人们不再象以前一样对加氯消毒等工艺抱有绝对信心。二是去除了水中的多种多样的污染物,特别是重金属和微量有机污染物等对人体有慢性、急性危害作用的污染物质,这样可保证饮用水的化学安全性;三是在上述基础上尽可能地保持一定浓度的人体健康所必须的各种矿物质和微量元素。

由以上几方面可看出,优质饮用水优质性是合格性、安全性和健康性三者的有机统一。这三个层次上相互递进、相互统一构成了优质饮用水的实际意义。其中安全性是第一位的和决定

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合格饮用水往往指的是各项水质指标都符合 生活饮用水卫生标准 (GB5749-85)的水,但是如果以更严格的水质标准如美国和WHO(世界卫生组织)等标准来衡量,就不一定是合格的饮用水,符合 生活饮用水卫生标准 (GB5749-85)的水只能说是合格的生活饮用水,而不是合格的专门饮用水,两者概念上有很大的区别。生活饮用水即自来水的范畴除包括专门饮用水外,还包括市政用水、工业用水和生活用水(如冲厕、拖地、清洗)等,这些不同用途的水在水质、水量上都相差很大,这种笼统的生活饮用水概念是不科学的,容易造成概念上的误解,不利于优质饮用水概念和分质供水等的提出和实施。

3 2 优质饮用水的指标

饮用水水质指标是一定发展阶段的产物,它与一定的水处理水平和分析检测水平是相互适应的。优质饮用水的指标体系应该不同于目前的 生活饮用水卫生标准 。这一方面体现了水质指标体系自身的发展性,即它是随着人们生活水平和科学技术水平的提高而提高,同时如上所述,优质饮用水应仅仅局限于供人们直接饮用和做饭等那一部分直接入口的专门饮用水,它只占全部生活饮用水(自来水)的很小一部分(大约0 5%~2%)。GB5749-85标准的制定毕竟是针对城市综合用途的(市政,消防,生活杂用的)而不是专门以饮水为目的的。从横向上看,与不断提高的欧美各国饮用水水质标准相比较而言(WHO1993年提出了151项的水质标准,美国EPA1996年水质标准为252项,而且每半年修订一次),我国水质指标体系安全性是不够充分的。我国饮用水水质标准中尚无有机物综合性指标,采用化学耗氧量(COD)、生化需氧量(BOD)、总有机碳(TOC)、溶解性有机碳(DOC)和紫外线吸光率等作为综合判断指标。随着微量有机物富集和检测技术的发展,饮用水中发现的有机化合物种类越来越多,其中不少对人体健康具有较大危害。因此常规的综合指标或少数几种有毒物的最高允许浓度,已不能反应众多有机物对人体健康的危害,也不能反应多种毒物同时存在所产生的协同效应。国外先进的饮用水水质标准已经将水质指标除感官性指标和微生物指标外向农药、消毒副产物、微量有机污染物、病毒等指标发展。这应该是饮用水水质指标体系的发展方向。

3 3 饮用水深度净化技术

优质饮用水的优质性需要相应的处理工艺来保证,优质饮用水处理技术是优质饮用水的最重要特征之一。

生物预处理可部分地除去水中的有机污染物、氨氮、亚硝酸盐以及三氯甲烷前驱物质(如富里酸、苯酚、苯胺等),减轻后续工艺的有机负荷,提高整体处理流程的处理效果。强化加氯点的选择和加氯量的控制,尽量选用二氧化氯或其他消毒剂,使用臭氧、ClO2、KMnO4等进行预氧化等等,是控制出水有机物尤其消毒副产物的有效途径。

氧化工艺是饮用水深度净化的常用工艺之一。它包括臭氧、二氧化氯、双氧水、高锰酸钾氧化、光催化氧化以及紫外线和臭氧、双氧水相结合的高级氧化技术。适量低剂量的氧化剂的加入往往可以降低一部分有机污染物浓度,部分地灭活水中的细菌和病毒,改善饮水的色、臭、味等,还可引起一定的微絮凝作用并提高了混凝效果。其中臭氧的研究和开发最早、应用最广,它氧化能力很强,能与水中的大多数有机污染物和微生物发生迅速的反应,在水中完全氧化分解,其本身不产生任何副产物,这是氯气等氧化剂所不能比拟的。虽然它不能将水中的有机污染物完全氧化成二氧化碳和水,但是它降低了水中有机污染物的负荷,提高了水中有机

126水科学进展第13卷化产生的一些不完全降解产物的影响还需进一步的考察和研究(如臭氧与水中的溴化物反应能形成毒性较大的溴酸盐等)。一般地说,单纯的氧化工艺相对来说需要的能量和费用较高,不太适合大规模的优质饮用水的制取,它只是有选择的将危害性较大的有毒有害物质变为危害较小的物质,或与其他的处理单元如活性炭吸附等作适当的结合,才有可能广泛地用于实践。

以活性炭为代表的吸附工艺是目前对付有机污染物的首选工艺,其他吸附剂如多孔合成树脂、活性炭纤维等也正在推广应用当中。活性炭来源广泛,比表面积大,对色、臭、味、农药、消毒副产物、微量有机污染物等都具有一定的吸附能力,还可以有效去除铁、锰、铜、汞、铬、砷等重金属,因此在研究和应用中使用广泛、效果较好。美国环保局认为活性炭是控制合成有机物、THMs和卤代乙酸等有机污染物的有效方法之一,美国活性炭用在给水净化上的数量占其总数量的三分之一,居各种用途的首位。

目前大量的工程实践证明,臭氧和生物活性炭联用工艺具有优异的除有机污染物性能。该工艺已经广泛地推广应用于欧洲国家如法、德、意、荷等上千座水厂中,我国已经在大庆、哈尔滨、伊春、松原等地设计和建成了10余座臭氧活性炭联用法深度净化水厂,总处理能力达15万t/d。该工艺将臭氧氧化、活性炭吸附、微生物降解统为一体,其中适量的臭氧氧化所产生的中间产物有利于活性炭的吸附去除,臭氧自降解产物氧气所导致的活性炭中的好氧微生物活性提高和生物再生也都是为广大的研究人员所证实。实践证明,臭氧氧化和生物活性炭联用工艺可以使水中的TOC、CODMn、UV254、THMFP、NH3-N等有明显的降低,可以使Ames实验阳性的原水变为阴性,出水水质良好。该工艺是具有很大发展前途的饮用水深度处理技术,将成为21世纪世界范围内饮用水常规处理工艺一个不可缺少的有机组成部分。

近年来发展很快的膜处理技术已经逐步应用于饮用水处理领域。反渗透膜、超滤膜、微滤膜和纳滤膜最初应用于工业用水、海水苦咸水等的淡化和脱盐处理等,现在已经广泛地应用于去除水中的浊度、色度、嗅味、消毒副产物前驱物质、微生物、溶解性有机物等。选择合适的膜技术或膜技术组合,可以对饮用水进行深度净化处理,甚至可以将原水处理到所希望的任何水质水平。正确地设计相应的预处理流程,采用合适的清洗技术和合适的工艺参数,可以减小膜污染的趋势,延长膜体的使用寿命,可以降低整个膜系统的投资和运行费用,有利于膜技术更普遍地应用到包括饮用水处理的各个方面。特别是在受污染的水源水处理、消毒副产物的控制等方面被美国环保局推荐为最佳技术之一,膜技术也被誉为21世纪的水处理技术。

综上所述,优质饮用水处理技术种类很多,其中包括许多现有的自来水处理技术,污水处理技术和新发展的处理工艺。饮用水除污染技术是物理、化学、生物多种技术的组合,其中膜技术、高级氧化、吸附技术是较有前途的三项关键技术。

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(1 DepartmentofEnvironmentalEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310029,China;2 Theadministrativebureauofthegreathallofthepeople,Beijing100800,China;3 HaerbinUniversityofTechnology,Haerbin150090,China)Abstract:ThepollutionstatusonwatersourcesinChinawasanalyzed Itwasstatedthattherearemanyproblemswhichcan tbesolvedbyconventionaldrinkingwatertreatmenttechnologies Basedontheconceptofsafeandhighqualitydrinkingwater,thedevelopmenttrendofhighqualitydrinkingwaterguidelinesys temwasputforward Accordingtostudyactualityofadvancedtreatmenttechnologiesofdrinkingwaterintheworld,itisstatedthattheadvancedadsorptiontechnology,theoxidationtechnology,themembranetechnol ogyandtheircombinationarethemostpromisingtechnologiesfortheadvancedtreatmentofdrinkingwater Keywords:drinkingwater;watersource;pollution;advancedtreatment;problems